UNIVERSITÀ DEGLI STUDI DI SALERNO Dipartimento di Medicina, Chirurgia e Odontoiatria

“Scuola Medica Salernitana” Dottorato di Ricerca in Medicina Traslazionale dello Sviluppo e

dell’Invecchiamento Attivo (Ciclo XXIX) Tecnologie innovative in Medicina Traslazionale

Tesi di dottorato in Creazione di modelli virtuali 3D da immagini TC e RM per la pianificazione degli interventi

chirurgici in Chirurgia Pediatrica

Coordinatore: Chiar.mo Prof. Corrado RUBINO Tutor: Chiar.mo Prof. Alfredo GARZI

Dottorando di Ricerca: Dott. Francesco FERRARA

Anno Accademico 2015-2016

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Indice

Introduzione 3 Dalla radiologia tradizionale all’imaging digitale 5 Dall’imaging digitale alle renderizzazione 3D 7 Scopo dello studio 11 Centri coinvolti e criteri di inclusione/esclusione 12 Casistica 14 Discussione 21 Conclusioni 22 Bibliografia 23

3

Introduzione

Lo sviluppo di sistemi medicali sempre più avanzati per l’acquisizione delle immagini

finalizzati all’estrazione di informazioni tridimensionali sugli organi del corpo umano

tramite metodi non invasivi, hanno portato all’affermazione di una nuova disciplina

scientifica nota come medical imaging.

Nell’ambito di questa disciplina rivestono un ruolo fondamentale le conoscenze

acquisite in campi tra loro diversi e complementari, come l’elaborazione delle

immagini e la visualizzazione scientifica.

La possibilità offerta dallo sviluppo delle tecnologie informatiche e robotiche consente

di realizzare strumenti basati su soluzioni tecnologicamente sempre più avanzate.

La pianificazione pre-operatoria, inoltre, assume un’importanza fondamentale per la

buona riuscita dell’operazione e per l’ottimizzazione della logistica operatoria anche

in termini economici.

Durante l’intervento il tempo di prendere decisioni è limitato e non c’è possibilità di

tentare diversi approcci per valutare la migliore strada da seguire. Per questa ragione,

il miglioramento degli strumenti a disposizione del medico nella fase preliminare

diventa una priorità nel pianificare al meglio la strategia del tavolo operatorio.

L’innovazione degli ultimi anni, dalla quale nasce il mio progetto di ricerca, è lo

sviluppo di programmi informatici che creano immagini con risoluzione 3D, avendo

come substrato le immagini 2D generate con gli esami TC (Tomografia

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Computerizzata) e RM (Risonanza Magnetica) in pazienti con patologia tumorale o

malformativa.

Nonostante la semplicità concettuale e teorica, tuttavia, la ricostruzione 3D è spesso

ardua a causa della difficile interpretazione delle immagini in 2D, soprattutto quelle

riguardanti la patologia oncologica.

Da tale consapevolezza, infatti, nasce l’esigenza di creare dei modelli virtuali 3D che

rendano più agevole, rapida e realistica qualsiasi ricostruzione.

Le ricostruzioni 3D trovano la loro applicazione principale nel supporto della

diagnosi, considerando che le immagini possono essere trasmesse ad esperti in tutto il

mondo per consultazioni in tempo reale (tele-medicina), e nella pianificazione del

trattamento chirurgico in termini di tipo di approccio, scelta del materiale, scelta della

tecnica più idonea, salvaguardia di strutture vicine.

L’evoluzione di queste ricostruzioni virtuali, infine, vede l’utilizzo delle immagini 3D

a scopo didattico nel training chirurgico. L’immagine ottenuta dal programma infatti

può essere riproposta direttamente in sede di intervento e confrontata con la reale

immagine ottenuta dalla colonna laparoscopica o robotica.

5

Dalla radiologia tradizionale all’imaging digitale

L’imaging digitale ha una storia relativamente recente. L’utilizzo dei primi calcolatori

elettronici in grado di elaborare immagini generate da macchine radiogene, e quindi

delle prime immagini radiologiche computerizzate, risale agli inizi degli anni '60.

Questo evento segnò il passaggio da una radiologia divenuta di tipo convenzionale,

cioè analogica, alla nuova radiologia digitale.

Fondamentalmente i due differenti approcci radiologici si basano, per quanto

riguarda l'acquisizione dell'immagine, sul medesimo principio di attenuazione dei

raggi X uscenti da un tubo radiogeno.

Ciò che cambia è il tipo di rilevatore che invia le informazioni per la costruzione

dell’immagine.

Nella radiologia tradizionale i raggi x impressionano una pellicola fotografica dopo

essere stati convertiti in luce che vanno a impressionare la pellicola. A questo punto

l’immagine è ancora latente, rinchiusa nella cassetta radiografica e, prima di divenire

apprezzabile, deve essere inserita in una sviluppatrice all’interno di una camera

oscura, in cui, sotto l’effetto di composti chimici allo stato liquido, l’immagine si

forma. Il radiogramma così ottenuto viene poi visionato tramite un diafanoscopio.

Nell’ambito della radiologia digitale è fondamentale la conversione dell’informazione

dal formato analogico a quello digitale, cioè il segnale deve essere convertito in

numeri, nel sistema binario, in modo da essere compreso da un computer. Il

passaggio avviene grazie all’analog to digital converter (ADC).

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Quali sono i vantaggi della radiologia digitale?

Uno dei primi vantaggi che possiamo citare è sicuramente che i sensori digitali

consentono di ottenere immagini molto più apprezzabili dall’occhio umano, che ha

dei limiti oggettivi di risoluzione.

Un altro vantaggio indiscusso della radiologia digitale è la possibilità di archiviare,

recuperare e spedire le immagini radiologiche in modo sicuro, risparmiando spazio,

tempo e minimizzando i rischi di smarrimento.

Inoltre i sistemi digitali possiedono una caratteristica fondamentale che è la loro

dinamicità, con un’elevata possibilità di manipolazione, per cui eventuali errori di

esposizione portano comunque a un’immagine utilizzabile per la diagnosi, mentre per

i sistemi convenzionali un errore significa sottoporre il paziente a un'ulteriore

esposizione.

La manipolazione dell’immagine, infine, permette di ricavare da una stessa immagine

diverse informazioni.

7

Dall’imaging digitale alle renderizzazione 3D

Nell’ordinaria pratica ospedaliera le immagini dei pazienti, in attesa di intervento

chirurgico, ottenute dalle varie tecniche di imaging, sarebbero state viste e studiate

dal chirurgo al computer con una normale risoluzione 2D, con tutti i limiti che da

essa ne deriva.

Le immagini 2D sono raccolte e catalogate in formato DICOM (Digital Imaging and

Communications in Medicine).

La definizione di tale formato standard, creato nel 1983 dall’ARC (American College

of Radiology) e dal NEMA (National Electrical Manufacturers Association), si è reso

necessario per lo scambio di informazioni tra sistemi medicali di diversi produttori,

facilitare lo sviluppo e l’espansione dei sistemi di comunicazione e di archiviazione

delle immagini (PACS - Picture Archiving and Communication Systems) con la

possibilità di interfacciare sistemi informativi di diversi ospedali, e favorire lo sviluppo

di un sistema informativo diagnostico con la possibilità di essere interrogato da una

varietà di dispositivi distribuiti geograficamente.

Un file in formato DICOM (Figura 1) è costituito da un header ASCII, contenente le

informazioni del paziente in esame e le modalità utilizzate per l’acquisizione

dell’esame, seguito dal set di dati, che contiene la sequenza delle immagini

memorizzate.

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Figura 1: Struttura di un file in formato DICOM.

Le immagini DICOM ottenute, con tagli effettuati su assi assiale, frontale e sagittale

vengono utilizzate per la realizzazione delle immagini 3D mediante l’utilizzo del

software VR-Render 0.8.1 sviluppato dell’IRCAD.

Il software VR-Render 0.8.1 fornisce un insieme di ricostruzioni 3D di organi e

tessuti di pazienti differenti in tempo reale.

La rappresentazione del volume (VR) è un metodo ben noto di visualizzazione 3D

delle immagini mediche, basato sull’acetato e sulla colorazione dei voxels.

Effettivamente, un'immagine medica è composta di un insieme di voxels, ognuno dei

quali ha un livello di grigio che rappresenta una proprietà fisica del tessuto

(assorbimento del raggio di X, come nel caso della TC). Un voxel non è altro che un

pixel in 3D (Figura 2).

Figura 2: rappresentazione schematica di un voxel.

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Il software in questione consente inoltre di selezionare i voxels che vogliamo vedere e

i voxels che devono essere oscurati, al fine di poter ricostruire in maniera più

dettagliata possibile i rapporti tra gli organi e i tessuti adiacenti. Una tale selezione,

chiamata in informatica “segmentazione”, consistente nel mostrare dettagliatamente

le strutture anatomiche o patologiche, è complessa e richiede tempo (Figura 3).

Figura 3: ricostruzione 3D e segmentazione dei voxels.

Un’altra funzione importante di VR-Render è la capacità di selezionare soltanto una

parte dell'immagine applicando un piano di clivaggio virtuale sull'immagine globale.

Il software fornisce due possibilità di clivaggio: il primo consente di dividere

l’immagine con tagli sul piano assiale, sagittale e frontale standard, mentre il secondo

consente tagli in qualsiasi asse (Figura 4).

Figura 4: Applicazione di piani di clivaggio multi assiale.

Le immagini fornite dalla ricostruzione del software VR-Render 0.8.1 possono essere

in seguito implementate con nuove ricostruzioni virtuali di superficie usando il

software di VRAnat sviluppato sempre dall’IRCAD (Figura 5).

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Figura 5: ricostruzione dei modelli 3D mediante VR-Anat.

Ogni paziente virtuale così ottenuto andrà a costituire una banca dati che migliorerà

e velocizzerà i processi di renderizzazione successivi.

L’utilizzazione del software AR-Surg o VR-Planning, infine, consente di sovrapporre

i modelli 3D, ottenuti con i precedenti software, alle immagini provenienti dalle

telecamere laparoscopiche o robotiche, direttamente sullo schermo in sala operatoria,

creando un’interazione tra le due diverse immagini in modo da pianificare un

ottimale gesto chirurgico. Il software AR-Radio, invece, consente la sovrapposizione

dei modelli 3D con le immagini radiologiche per la pianificazione degli atti durante le

procedure di radiologia interventistica (Figura 6).

Figura 6: Pianificazione di atti chirurgici o interventi di radiologia interventistica.

11

Scopo dello studio

Il mio progetto di ricerca è nato dalla volontà di creare modelli virtuali 3D partendo

da immagini TC e RMN di pazienti pediatrici affetti da patologia malformativa e

tumorale.

Lo studio è stato condotto in accordo con i principi etici sanciti dalla Dichiarazione di

Helsinki nella sua ultima revisione. La partecipazione allo studio ha previsto

l’ottenimento del consenso libero e informato e sono stati salvaguardati i diritti sanciti

dalla legge in materia di protezione dei dati personali (Decreto Legislativo 30/6/2003

n. 196 e successive modificazioni) delle persone sottoposte a valutazione.

Gli obbiettivi del mio progetto di ricerca nello specifico erano i seguenti:

• Creare modelli 3D partendo da immagini TC e RM in pazienti pediatrici.

• Utilizzare le immagini 3D per implementare la diagnostica tradizionale, pianificare

e migliorare l’atto chirurgico e infine per scopi didattici.

• Utilizzare i modelli 3D direttamente in sala operatoria per confrontarli con le

immagini reali fornite dalle telecamere ad alta definizione durante l’intervento

chirurgico.

• Standardizzare le procedure chirurgiche in modo da poter realizzare un’ottima

attività di formazione per i giovani chirurghi.

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Centri coinvolti e criteri di inclusione/esclusione

Il mio progetto è stato realizzato coinvolgendo tre diversi centri di chirurga pediatrica

e le rispettive sezioni di Radiologia:

• U.O. Chirurgia Pediatrica Minimamente Invasiva e Robotica dell’Ospedale “San

Giovanni di Pio e Ruggi D’aragona” dell’Università di Salerno

• Clinica Chirurgica Pediatrica dell’Ospedale “Le Scotte” dell’Università di Siena

• UOC di Chirurgia Pediatrica dell’Ospedale San Bortolo Azienda ULSS n°6

Vicenza

La scelta di realizzare uno studio multicentrico e multi sezione è derivata dalla

necessità di poter raccogliere un numero maggiore di pazienti, permettendo una

renderizzazione più vasta e variegata, e di instaurare una proficua collaborazione tra

discipline diverse come la Chirurgia Pediatrica e la Radiologia Diagnostica.

Criteri di inclusione

I criteri di inclusione sono stati i seguenti:

• Pazienti sottoposti a valutazione diagnostica mediante TC e RM e in seguito

trattati chirurgicamente sia con approccio mini-invasivo che tradizionale a cielo

aperto

• Nessun limite di età

• Disponibilità a fornire il proprio consenso libero e informato.

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Criteri di esclusione

I criteri di esclusione sono stati i seguenti:

• Consenso negato da parte dei genitori.

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Casistica

Durante i 3 anni di dottorato, sono stati inclusi nello studio 40 pazienti, 13 femmine e

27 maschi, con un’età compresa tra 6 mesi e 17 anni.

Sono stati suddivisi in 3 gruppi sulla base della patologia: malformativa (29/40),

tumorale (7/40) e altro (4/40) come indicato in tabella 1.

Gruppi Patologia Pazienti (n)

Altro 4/40

PNX 3

Esito di drenaggio toracico in parenchima polmonare

1

Patologia tumorale 7/40

Sarcoma Ewing extraosseo 1

Neuroblastoma toracico 2

Neuroblastoma addominale 1

Adenoma surrenalico 1

Linfoma Non Hodgkin mediastino 1

Timoma 1

Patologia malformata 29/40

SGPU 16

Displasia cistica 4

Doppio distretto renale complicato 4

Compasso aorto-mesenterico 1

CPAM 3

Enfisema interstiziale 1 Tabella 1: suddivisione dei pazienti in base alla patologia.

Tutti i pazienti hanno eseguito TC o RM dalle cui immagini è stata eseguita la

ricostruzione 3D con il programma Vr Render 0.81.

15

Dalla figura 7 alla 12 sono riportati e spiegati alcuni esempi di ricostruzione 3D.

Fig. 7: femmina di 12 anni, affetta da sindrome di Kabuki, dalla nascita presenza di vomito biliare ciclico. TC: sindrome del compasso aorto mesenterico.

Fig. 8: femmina di 6 anni, affetta da sarcoma di Edwing extraosseo con localizzazione toracica.

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Fig. 9: maschio di 14 anni, affetto da SGPU da vaso polare anomalo.

Fig. 10: maschio di 17 anni con diagnosi di linfoma di non Hodking mediastino.

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Fig. 11: femmina di 6 mesi con diagnosi prenatale di CPAM, confermata a 3 mesi da TC con mdc.

Fig. 12: maschio di 4 anni con doppio distretto renale e ureterocele.

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Tutti i 40 bambini sono stati sottoposti ad intervento chirurgico.

Per ognuno di loro le immagini ricostruite sono state discusse tra il chirurgo

pediatrico e il radiologo-per pianificare al meglio la strategia chirurgica.

Non riportiamo complicanze intraoperatorie né discrepanze tra la ricostruzione 3D e

la reale anatomia del paziente.

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Discussione

Fino a qualche anno fa lo sviluppo e la commercializzazione di sistemi basati su

tecnologia 3D trovavano il principale utilizzo nel settore ludico-ricreativo rendendo

più reale l’immersione sensoriale nella realtà virtuale.

Negli ultimi anni invece la riduzione dei costi e lo sviluppo di nuove tecnologie

pensati per il campo medico hanno permesso di trovarne un ottimo uso anche in

questo settore, rivoluzionando i sistemi diagnostici e di pianificazione dell’intervento

chirurgico.

L’utilizzo della tecnologia del rendering 3D nell’ambito della Chirurgia Pediatrica ha

certamente reso migliore e unico l’approccio a ogni singolo paziente, permettendo ad

esempio di scegliere la migliore incisione chirurgica e risparmiare il più possibile

strutture adiacenti non coinvolti dalla patologia.

Il programma Vr Render 0.81 è semplice e intuitivo. Può essere istallato e utilizzato

su qualsiasi sistema operativo, Window, Macintosh o Linux.

Le immagini di partenza, come precedentemente spiegato, devono essere

preferibilmente immagini TC o RM.

Come dimostrato dal nostro studio, l’utilizzo di immagini 3D può rappresentare un

miglioramento della fase di pianificazione pre-operatoria, con conseguenti vantaggi

per chirurgo e paziente, oltre che per il sistema sanitario.

Un sistema di questo tipo permette:

20

• l’acquisizione da parte del chirurgo di maggiore confidenza con le strutture

anatomiche che ritroverà durante l’intervento.

• la valutazione accurata ed immediata delle misure fisiche della struttura anatomica

del paziente, dando la possibilità di stabilire le dimensioni di eventuali strumenti

prostetici da usare in fase operatoria.

• la possibilità di studiare l’intervento nel dettaglio

Di seguito elenchiamo alcuni dei campi in cui vengono applicate le diverse tecniche

di ricostruzione tridimensionale in relazione ai nostri casi descritti.

Nell'apparato urinario fornisce immagini simili a quelle ottenute tramite urografie con

mezzo di contrasto, particolarmente utile nelle indagini dei calici e papille renali, o di

anomalie anatomiche del tratto urinario. La ricostruzione 3D del giunto

pieloureterale, come mostrato in figura 9, ripropone una ottima anatomia della

stenosi della giunzione pieloureterale e nel caso specifico evidenzia il vaso anomalo.

Nell'intestino permette una valutazione e una localizzazione dettagliata delle lesioni

permettendo di evidenziare anche ostacoli come possono essere quelli rappresentati

da stenosi o compressioni ab estrinseco che un imaging tradizionale non potrebbe

superare, consentendo così di valutare il tratto d'intestino al di là dell’ostruzione. Il

caso descritto in figura 7 fa riferimento a un compasso aorto mesenterico con

compressione del duodeno nella forchetta mesenteriale.

Nelle valutazioni delle patologie che interessano le vie respiratorie, i rendering

possono fornire informazioni precise sulla morfologia e localizzazione della

malformazione, come ad esempio nella ricostruzione di una CCAM da immagine

TC, come riportata nella figura 11.

21

In relazione alla patologia tumorale, inoltre, le ricostruzioni possono mostrare una

maggiore accuratezza nella localizzazione e l'estensione di tumori e il loro rapporto

con le interfacce broncovascolari circostanti. Nelle figure 8 e 10 sono riportati esempi

di differenti patologie oncologiche di diversa natura.

Nel caso del sarcoma di Edwing (figura 8) la ricostruzione 3D ha permesso di stabilire

preoperatoriamente le dimensioni della matrice da utilizzare nel replecement della

parete toracica anteriore.

Un rendering accurato inoltre può aiutare nella scelta della procedura più adeguata

per il prelievo di campioni di tessuto, come nel caso del linfoma non Hodking

riportato in figura 10 in cui è stata eseguita una biopsia chirurgica.

22

Conclusioni

La crescita esponenziale vissuta negli ultimi anni dal mercato delle realtà virtuale 3D,

riflessa nel drastico miglioramento delle tecnologie disponibili e nel contemporaneo

abbassamento dei costi, ha creato possibilità applicative sempre più ampie anche nel

campo medico e in particolare chirurgico.

L’obiettivo di questa tesi è stato quello di verificare l’efficacia della renderizzazione

3D in ambito chirurgico pediatrico.

Dall’analisi retrospettiva del nostro studio è emerso che la ricostruzione 3D permette

una buona e migliore pianificazione chirurgica delle patologie tumorali e

malformative. L’immagine sviluppata dal programma Vr Render garantisce una

definizione corretta della dimensione della patologia, della sua localizzazione e i suoi

rapporti con le strutture circostanti. Da ciò nasce la possibilità di approcciare la

patologia con incisioni specifiche e accurate risparmiando strutture adiacenti nobili.

Per la realizzazione di questo progetto, è stata necessaria la collaborazione tra il

Chirurgo Pediatra e il Radiologo, emblema della multidisciplinarietà, ormai tipica,

del management di patologie complesse.

Il futuro della renderizzazione 3D è certamente una sempre maggiore applicazione

nella pianificazione chirurgica e nel training e formazione dei giovani chirurghi.

23

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